Основы дозиметрии

Проходя через вещество, α- и β-излучения в основном взаимодействуют с электронами атомов, передавая им свою энергию. Энергия расходуется на ионизацию (отрыв электрона от атома) и возбуждение атома (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку).

Рентгеновские и γ-лучи теряют свою энергию в результате трех основных процессов:

1. Фотоэлектрического поглощения (фотоэффект);

2. Комптоновского рассеивания (комптон-эффект);

3. Образования электрон-позитронных пар.

Нейтроны взаимодействуют не с электронами, а только с ядрами атомов среды, передавая им часть своей энергии. Этот процесс называется упругим рассеянием и продолжается до тех пор, пока энергия нейтрона не станет равна энергии теплового движения атомов среды (0,025 эВ). Ядра, получившие от нейтрона часть кинетической энергии, «вылетают» из электронной оболочки и, будучи положительно заряженными, производят ионизацию атомов среды.

Биологические эффекты, наблюдаемые под воздействием α- и β-частиц, нейтронов или γ-излучения, а также рентгеновского излучения, обусловлены не их физической природой, а закономерностями пространственного распределения ионизированных и возбужденных атомов в облучаемом объекте.

Радиоактивное и рентгеновское (не имеющее радиоактивную природу) излучение по характеру их взаимодействия со средой называют ионизирующим излучением.

Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная доза — это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме.

В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица — рентген (Р). 1 Кл/кг = 3876 Р.

Важной характеристикой взаимодействия излучения со средой является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом.

Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества. За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр — это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр = 100 рад.

Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). Например, масса α-частицы примерно в 7000 раз больше массы β-частицы (электрона). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент — коэффициент относительной биологической эффективности или коэффициент качества.

Коэффициенты относительной биологической эффективности для различных видов излучений приведены в таблице 4.1.

 

Вид излучения	Коэффициент качества, Зв/Гр
Рентгеновское и γ-излучение
β-излучение(электроны, позитроны)
Нейтроны с энергией меньше 20 кэВ
Нейтроны с энергией 0,1-10 МэВ
Протоны с энергией меньше 10 МэВ
α-излучение с энергией меньше 10 МэВ

Таблица 4.1.

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рентгена). 1 Зв = 100 бэр.

Поскольку бэр и зиверт достаточно большие единицы измерения, обычно эквивалентную дозу измеряют в миллибэрах (мбэр, 10⁻³ бэр) или микрозивертах (мкЗв, 10⁻⁶ Зв). 1 мбэр = 10 мкЗв.

Источники радиоактивного излучения принято делить на естественные и искусственные (техногенные).

К естественным источникам относят космические лучи и земную радиацию. Естественное облучение составляет примерно 83 % от суммарного облучения населения.

Космические лучи

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает около 50% внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации.

Космические лучи в основном приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.

Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи). Уровень облучения растет с высотой, поскольку при этом над нами остается все меньше воздуха, играющего роль защитного экрана. На высоте 2000 м над уровнем моря эквивалентная доза в несколько раз больше, чем на уровне моря. При подъеме на высоту 12000 м (максимальная высота полета авиалайнеров) уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз.

Земная радиация

В местах проживания основной массы доза земной радиации примерно одного порядка - 300-600 мкЗв/год.

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли – это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 – долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Например, в среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, (наиболее стабильного изотопа калия) необходимого для жизнедеятельности организма.

Наиболее весомым из всех естественных источников радиации является тяжелый инертный газ радон-222, являющийся продуктом распада урана-238 (см. рис 4.4). Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за ¾ годовой индивидуальной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех естественных источников радиации.

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением радиоактивности. Другие техногенные источники (последствия ядерных испытаний в атмосфере, атомная энергетика и т.п.) дают менее 7% от средней дозы, получаемой человеком. При этом основной вклад вносят цезий-137 и стронций-90, которые имеют периоды полураспада ~ 30 лет.